Agham ng Materyales
Ang mga Auxetic Material ay May Malawak na Mga Kaso ng Paggamit. Ang Mga Advanced na Algorithm ay Ngayon ay Ginagawang Mas Madali ang Paglikha Nito
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang mga auxetic material ay kumukupas at lumalawak sa transverse na direksyon kapag sumailalim sa axial compression at tension, ayon sa pagkakabanggit. Sila ay tumutugon sa paraang salungat sa karaniwang elastic na mga materyales at, samakatuwid, nagpapakita ng negatibong Poisson’s ratio. Ang ratio na ito ay sumusukat sa deformation sa direksyong perpendicular sa inilapat na puwersa. Hindi tulad ng karaniwang elastic na mga materyales, ang mga auxetic material, kapag na-compress, ay nagiging mas manipis sa direksyong perpendicular sa inilapat na puwersa.
Ang mga materyal na ito ay naging popular sa nakaraang ilang dekada dahil sa kanilang kapaki-pakinabang na katangian, tulad ng mahusay na fracture toughness, mataas na resistance sa indentation/impact, shear modulus, mahusay na pagsipsip ng enerhiya, synclastic deformation, at mataas na transverse strain. Mayroon din silang mataas na dent resistance at superior na surface isotropy.
Lahat ng mga katangiang ito ay nagpayaman sa mga auxetic material, na nagsisiguro na ang mga materyal na ito ay may malawak na gamit. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang ilang mga kaso ng paggamit sa larangan ng agham medikal at pangangalagang pangkalusugan, inhinyeriyang sasakyan, inhinyeriyang proteksyon, pananamit, atbp.
Auxetic Materials sa Pangangalagang Medikal at Agham Medisina
Ang high-density auxetic polyethene ay ginagamit upang bumuo ng mga artipisyal na intervertebral disc para sa operasyon sa gulugod. Ang mga disc na ito ay maaaring yumuko at umikot at posibleng magbigay ng pinahusay na biomechanical performance kumpara sa tradisyunal na mga solusyon sa pagpapalit ng disc. Ang kanilang auxetic na katangian ay pumipigil sa mga pagbubukol na maaaring makasugat sa mga kalapit na ugat, na nagpapahintulot sa disc na ganap na tularan ang pag-uugali ng natural na lumbar intervertebral disc.
Isang auxetic pedicle screw ay iminungkahi rin para mapabuti ang biomechanical na interaksyon sa pagitan ng nakapaligid na buto at ng screw, pangunahin para sa gulugod.
Ang pananaliksik ay tumulong din sa mga siyentipiko na bumuo ng auxetic geometry coronary stent na batay sa 316L medical-grade stainless steel. Ang stent na ito ay maaaring mag-expand sa parehong radial at longitudinal na direksyon at ma-optimize para sa isang tiyak na diameter at haba ng daluyan upang lumikha ng isang tiyak na volume ng lumen, na nagbabawas ng negatibong epekto ng stent sa pader ng daluyan.
Ang mga auxetic material ay napatunayang kapaki-pakinabang din sa iba pang medikal na aplikasyon, tulad ng hip implant stems, fixation para sa mahabang buto, cardiac patches, nasopharyngeal swabs, orthopedic insoles, at iba pa. Mahalaga rin ang mga ito sa tissue engineering at paggawa ng mga estruktura at membrane para sa in-vitro na mga medikal na aparato.
Auxetic Materials sa Inhinyeriyang Sasakyan
Kamakailang pananaliksik ay nagpakita na ang mga auxetic material at estruktura ay maaaring magbigay ng mas mahusay na disenyo na nagpapabuti sa katangian ng pagsipsip ng enerhiya ng tradisyunal na manipis na pader na tubo ng mga bumper at mga kahon na sumisipsip ng enerhiya.
Ang mga estrukturang ito ay magkakaroon ng mas mataas na katigasan, kalamangan sa pagsipsip ng enerhiya sa ilalim ng medium-speed na banggaan at mas mahabang buffer time para sa pagsipsip ng enerhiya ng banggaan at proseso ng pagbilis-pagbaba ng mga sakay. Mataas din ang kanilang marka sa kapasidad ng pagsipsip ng enerhiya, kahusayan ng pagsipsip ng enerhiya, at iba pang performance indices.
Isa sa mga mananaliksik sa larangang ito ay partikular na nagmungkahi ng isang bumper na binubuo ng auxetic sandwich beam structure at kombinasyon ng energy-absorbing block na na-optimize ng isang multi-objective algorithm, na nagpaganda sa frontal crashworthiness ng sasakyan.
Auxetic Materials sa Inhinyeriyang Proteksyon
Ang paggamit ng auxetic structures sa inhinyeriyang proteksyon ay nagmula sa kanilang mataas na pagsipsip ng enerhiya, pinahusay na indentation compressive strength, at pinahusay na shear strength properties.
Ang pananaliksik ay tumulong na makahanap ng auxetic honeycomb sandwich panel structures na maaaring protektahan ang reinforced concrete structure mula sa matinding impact at proximity blast loads.
Gayundin, ang cylindrical sandwich panels na may auxetic effect ay nagkaroon ng mas matibay na blast resistance properties, at maaaring magamit upang epektibong magdisenyo ng matitibay na hull ng eroplano, spacecraft, submarine hulls, fuel tanks, mga silungan sa minahan ng karbon, at iba pang curved structures.
Auxetic Materials sa Inhinyeriyang Pananamit
Ang katangian ng transverse expansion ng auxetic materials kapag may load ay tumutulong sa pagbuo ng double curvatures sa panahon ng pagyuko. Ang katangiang ito ay nagpapahintulot sa pananamit na gawa mula sa mga materyal na ito na umangkop sa nagbabagong hugis ng katawan ng tao habang kumikilos. Ipinapakita ng pananaliksik na ang auxetic fabric maternity wear ay nagtataglay ng mas mababang stress concentration kumpara sa tradisyunal na mga katapat. Ito rin ay komportableng isuot.
Ang malawak na saklaw ng mga posibilidad ng aplikasyon ay nagdulot ng pagtaas ng demand para sa auxetic materials. Upang matugunan ang tumataas na demand na ito, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng tatlong-hakbang na resipe para sa pagdidisenyo ng auxetic materials on demand.
Isang Tatlong-Hakbang na Proseso para sa Paglikha ng Auxetic Materials on Demand
Mga Mananaliksik sa National Institute of Standards and Technology (NIST) at ang University of Chicago ay nagsagawa ng sama-samang pagsisikap upang pabilisin ang pagpapakilala ng auxetic products sa merkado.
Mas tiyak, ang mga mananaliksik na ito ay nakabuo ng isang algorithmic tool na tumutulong sa tumpak na tatlong-dimensional na pagdidisenyo ng auxetics. Ayon sa co-author ng pag-aaral, si Edwin Chan, isang materials research engineer mula sa NIST:
“Maaari naming talagang i-optimize ang materyal upang magkaroon ng anumang partikular na mechanical properties at behavior na nais ninyo.”
Ipinakita ng mga mananaliksik sa mundo ng isang pinagsamang framework para sa paglalarawan ng bi-dimensional perfect auxetics. Ang presentasyong ito ay resulta ng mas malalim na pagkaunawa na ang pag-unawa at pagkontrol sa perfect auxetic limit ay maaaring magbigay-daan sa atin upang makatwirang magdisenyo ng realistic auxetics na may tailor-made geometric structure kung saan ang Poisson’s ratio ay nananatiling negatibo.
Habang pinalalalim ang kahalagahan ng kanilang pag-aaral, sinabi ng mga mananaliksik ang mga sumusunod:
“Ang aming teorya ay hindi lamang nag-iisa ng malaking klase ng umiiral na auxetics, na sumasaklaw sa mga nakaraang auxetic rigid unit systems, kundi nagbibigay-daan din upang lumikha ng maraming iba’t ibang mga ito, na may mga bago at magkakaibang geometry, kabilang ang medyo mahirap makuha na isotropic auxetic material.”
Dahil interesado ang mga mananaliksik na maunawaan ang pag-uugali ng perfect auxetics, ginamit nila ang minimal bidimensional model para sa rotating units. Ang mga unit ay binubuo ng serye ng mga polygon na konektado ng mga spring na may zero natural length. Ang bawat rigid unit ay may tatlong degrees of freedom: dalawang translational at isang rotational. Ang modelong ito ay tumulong upang matukoy ang pag-usbong ng auxetic floppy mode at nagpakilala ng elasticity sa mga materyales upang maari ring pag-aralan ang mga non-ideal na senaryo.
Ang kinalabasan ng siyentipikong pagsisiyasat ay nasa anyo ng isang resipe na makakatulong sa pagbuo ng perfect auxetics. Kakailanganin nito ng tatlong sangkap:
- Ang isang bipartite network ay magpapahintulot sa mga unit na mag-counter-rotate kaugnay sa isa’t isa.
- Sa simula at kapag walang galaw, ang bawat pares ng posisyon na vectors ng magkatabing polygon at ang vertex sa pagitan nila ay kailangang collinear.
- Ang ratio sa pagitan ng distansya ng isang polygon sa isa sa mga vertex nito at ang distansya ng kalapit na polygon sa parehong vertex ay dapat maging constant sa network.
Binibigyang-diin ng mga mananaliksik na ang pagiging natatangi ng kanilang teorya ay nasa katotohanang hindi ito limitado sa mga lattice at maaaring ilapat nang direkta sa mga disordered network. Ito ay nagpapahintulot sa pagbuo ng unang isotropic perfect auxetic materials. Ang mga mananaliksik ay kapaki-pakinabang din dahil ang kanilang teorya ay maaaring palawakin sa 3D polyhedral materials.
Bagaman ang pananaliksik na ito ay isang breakthrough, ang trabaho sa auxetic materials ay nagpapatuloy na nang matagal na. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang mga kumpanya na nagsasagawa ng makabagong trabaho sa mga ito.
#1. Nike
Isa sa mga nangungunang tatak na nagsagawa ng sopistikadong trabaho sa larangang ito ng auxetic structures ay ang Nike. Ang patent ng Nike na may numero US9402439B2 ay tumatalakay sa auxetic structures na nagpapadali sa paggawa ng mga sole na may auxetic structures.
Karaniwan, ang mga sapatos ay binubuo ng hindi bababa sa dalawang pangunahing bahagi:
- Isang upper na nagbibigay ng enclosure para sa paa ng nagsusuot
- Isang sole na nakakabit sa upper na nagsisilbing pangunahing kontak sa lupa o playing surface
Ang sole ay maaaring magkaroon ng tatlong subsegment: isang inner sole, isang midsole, at isang outer sole. Sa patent ng Nike na sapatos, hindi bababa sa isang layer ng sole ay gawa sa isang auxetic structure. Ito ay tinatawag na auxetic layer.
Ang pagtakbo, pagliko, pagtalon, o pagbilis gamit ang mga sapinang ito ay naglalagay ng auxetic layer sa mas mataas na longitudinal o lateral tension, na nagpapalaki ng haba at lapad nito. Dahil dito, nagbibigay ito ng pinahusay na traction at sumisipsip ng ilan sa mga impact ng playing surface.
Naniniwala ang Nike na ang mga sapinang ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa iba’t ibang sports at recreational activities, kabilang ang tennis at iba pang racquet sports, paglalakad, jogging, pagtakbo, hiking, handball, training, pagtakbo o paglalakad sa treadmill, at team sports tulad ng basketball, volleyball, lacrosse, field hockey, at soccer.
NKE Tsart ng Presyo
Para sa buong fiscal year 2023, iniulat ng Nike ang kita na US$51.2 bilyon, tumaas ng 10 porsyento kumpara sa nakaraang taon at tumaas ng 16 porsyento sa currency-neutral basis.
#2. Airbus
Ang Airbus Defence and Space ay nakatanggap ng patent para sa isang deformable auxetic structure at proseso ng paggawa. Ang imbensyon ay naglalayong magbigay ng magaan na proteksyon laban sa high-energy impacts sa aircraft airframes at mga sistema sa pamamagitan ng isang solong integrated sandwich panel na gumagamit ng bidimensional auxetic behavior sa dalawang direksyon na bumubuo sa surface ng panel.
Sinasabi ng Airbus na ang ganitong proteksyon ay magiging lubos na kapaki-pakinabang sa mga highly integrated na rear-end engine-driven aircraft configurations, kabilang ang Open-Rotor o Boundary-Layer Ingestion architectures. Sa mga configuration na ito, kinakailangan ang mga protection provisions (shieldings) dahil sa mga alalahanin sa kaligtasan laban sa high-energy impacts sa fuselage mula sa Propeller Blade Release (PBR) at Engine Debris (Uncontained Engine Rotation Failure maliit na fragment at third disc).
Ang estruktura ay nagtatampok ng auxetic arrangement na binubuo ng maramihang interconnected adjoining tridimensional auxetic cells. Ang disenyo na ito ay nagsisiguro na kahit anong uri ng surface element—planar, curved, o kombinasyon ng iba’t ibang planar surfaces—ang nagresultang estruktura ay magkakaroon ng auxetic behavior sa bawat isa sa mga plane. Dagdag pa rito, magpapakita ito ng auxetic behavior sa higit sa isang dimensyon na perpendicular sa pangunahing direksyon ng impact.
Noong 2023, nagrehistro ang Airbus ng kita na higit sa 65 bilyong Euro, isang malaking pagtaas mula sa 58.8 bilyong Euro na kinita noong 2022.
Paglikha ng Auxetic Materials: Ano ang Hitsura ng Hinaharap
Ang pananaliksik na nagbukas ng aming talakayan ay maaaring magdala ng maraming breakthrough. Maaari itong magbigay ng isang simple-to-follow na modelo para sa paglikha, pagdidisenyo, at pagkarakterisa ng rotating unit auxetics. Ang mga modelong nagpatunay sa teorya ay epektibo para sa tuwirang simulation para sa pagsubok ng mga katangian ng materyal habang hindi isinasaalang-alang ang bending forces. Gayunpaman, ang mga modelong ito ay maaaring mag-accommodate ng bending kung kinakailangan. Ang gawain ay nagdala sa pagtatag ng mga batayang alituntunin para sa paglikha ng mga hindi pa nakikitang isotropic perfect auxetics. Ang tanging kailangan nito ay karagdagang pananaliksik sa dynamic at vibrational analysis.
Habang ang pananaliksik at eksplorasyon ay isang walang katapusang proseso sa agham at teknolohiya, kailangan pa ng mas maraming pagsisiyasat sa pagiging praktikal ng auxetic materials bilang reinforcement, lalo na para sa mga load-bearing na aplikasyon. Kinakailangan ang labis na deformation upang pasimulan ang mga benepisyo na nagmumula sa auxeticity. Ang mga deformation na ito ay maaaring lumagpas sa serviceability limits na tinukoy para sa mga structural elements sa static loading. Sa ganitong konteksto, itinuturo ng mga mananaliksik ang pangangailangan ng mga bespoke na disenyo na tumutugma sa parehong pangangailangan sa lakas at stiffness.
Sa larangan ng biomedical application, lumilitaw ang pangangailangan para sa 3D auxetics, na maaari lamang makamit sa pamamagitan ng additive manufacturing procedures. Dapat mapabuti ang mga prosedurang ito upang matiyak ang pangmatagalang pagganap ng mga medikal na aparato. Ang advanced algorithm-based na proseso para lumikha ng auxetics ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa mga kasong ito, dahil karamihan sa additive technologies ay nagdudulot ng intrinsically anisotropic na resulta dahil sa layer-by-layer na proseso, na maaaring makaapekto sa mechanical performance ng mga solusyon.
Bagaman nananatili ang mga hamong ito, umaasa ang mga mananaliksik na ang ilang mga trend sa hinaharap, kung matagumpay na maisusukat, ay maaaring magdala ng mas masigasig na pag-aampon ng auxetics. Kabilang sa mga trend na ito ang paglikha ng sinergiya sa pagitan ng 4D printing at auxetic geometries, paggawa ng shape memory materials at mechanisms, atbp.
Ang auxetics ay maaari ring makakita ng pagtaas ng paggamit sa biohybrid materials, kung saan ang isang auxetic scaffold na kinolonya ng mga selula ay maaaring magdulot ng mas autonomous na actuators. Ayon sa mga mananaliksik, ang mga materyal na ito ay may kakayahang higitan ang kasalukuyang magagamit na “smart,” active, o multifunctional na mga materyales at estruktura.
Isa sa mga pangunahing halimbawa ng paggamit ng Biohybrids ay sa anyo ng microbots na may auxetic chassis at mga mekanismo na pinapatakbo ng mga buhay na selula. Ang mga solusyong ito, lalo na ang electric stimuli-activated cardiomyocytes o musculoskeletal cells, ay maaaring magamit bilang surgical actuators sa hinaharap.
Sa kabuuan, ang auxetics ay nag-aalok sa atin ng napakaraming oportunidad. Ang kailangan lamang nito ay higit pang pananaliksik at mga mapagkukunan upang mapalawak at magbigay ng mga praktikal na solusyon na magtatagal ng napakatagal.
